● 摘要
在传统的制造业中产品的可维修性验证评估依赖于物理样机，设计和制造中的缺陷在后期的装配和维修中才能发现，影响了效率，增加了产品成本。随着数字样机技术和虚拟现实技术的发展，虚拟维修技术和虚拟装配技术逐渐应用于制造业等工业领域。作为虚拟维修系统中模拟和仿真的核心，虚拟人与表演者的匹配程度决定了虚拟人复制表演者动作的精确度。本文提出一种虚拟人体标定技术，以匹配虚拟人和表演者，并在此基础上建立了人体模型库。论文主要工作如下：1. 结合虚拟维修系统中的维修任务需求和人体的生理特性对人体模型进行简化。研究现有的人体建模标准，基于国标人体测量学数据建立了具有58个骨骼段，46个关节，177个自由度的树状虚拟人体模型。2. 光学运动捕捉设备由于自身的特点易发生跟踪丢失或标记点组识别混淆，通过对标记点组进行连线定位到错误数据帧，分析了错误数据类型，规划了十组标记点并用限幅滤波对错误数据进行处理。结合光学相机、陀螺仪、数据手套三种运动捕捉设备采用正运动学与逆运动学结合的方法实现了对虚拟人体模型的驱动。3. 分析关节对骨骼段运动的约束，建立了两种关节中心参数估计模型：球模型和双骨骼段模型并给出了两种模型的求解算法。对于球模型由线性最小二乘法预估初值，采用非线性最小二乘算法进行优化求解；对于双骨骼段模型可直接通过解线性方程组获得解析解。利用虚拟铰链机构模拟了人体的链状骨骼，分析两种模型的求解结果得出双骨骼段模型具有更高的精度。4. 基于关节中心参数估计提出了一种虚拟人体标定技术。比较身高为1740mm的表演者四肢的测量值和标定值得出标定精度可达3.96%。对标定后的虚拟人进行驱动，标定后的虚拟人较为精确地复制了表演者的动作，减少了肢体交叉，在虚拟维修系统中逼真地完成了抓取任务。对不同身高的表演者进行标定利用带自然边界条件的三次样条插值建立了虚拟人体模型库，建立的人体模型库可用于运动捕捉数据重用，提高仿真效率。本文所有算法均依托本课题组开发的OpenGL封装库VI.DLL和几何运算平台GP.DLL实现。关键词：虚拟维修；关节中心参数估计；虚拟人体标定；人体模型库
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